李浩然,岳志國,姜 軍,李德康,郗艷紅

(1.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所, 石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050043； 3.中交路橋北方工程有限公司, 北京 100024； 4.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044)

引言

截止2019年初，我國越江地鐵已建成79條[1]，確保隧道防水可靠性已經(jīng)成為越江地鐵工程安全保障工作的重要組成部分。近年來，由于施工質(zhì)量差、前期勘測誤差、地基不穩(wěn)、地震災(zāi)害等原因，地鐵透水事故時(shí)有發(fā)生。因此，探索一個(gè)有效的可靠性評價(jià)體系與方法，是確保越江地鐵隧道運(yùn)營安全亟待解決的問題。

越江地鐵隧道面臨水頭壓力高、圍巖透水風(fēng)險(xiǎn)高及環(huán)境復(fù)雜等不利條件，這些因素共同作用導(dǎo)致其建造與運(yùn)營過程中面臨風(fēng)險(xiǎn)較高，對此部分學(xué)者開展了相關(guān)研究[2-6]。張維[2]等以南京地鐵10號線越江隧道為例，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)，并針對多類風(fēng)險(xiǎn)提出了相應(yīng)的處理方法。王金龍[3]根據(jù)越江地鐵隧道縱向剛度小，承受水壓力高的特點(diǎn)，利用數(shù)值模擬方法研究了工程水文條件與地質(zhì)條件等因素對越江隧道的影響。高墅[4]針對越江地鐵隧道建設(shè)工程滲漏多發(fā)的問題，分析了透水原因，對應(yīng)地給出施工滲漏治理措施。李冰冰[5]針對不均勻沉降影響地鐵隧道運(yùn)營安全的問題，研究了不均勻沉降對地鐵隧道的作用機(jī)理。陳斌[6]等為了探明爆炸對地鐵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損害程度，模擬TNT爆炸沖擊波荷載，確定結(jié)構(gòu)受載的薄弱部位。

眾多學(xué)者采用了不同的風(fēng)險(xiǎn)分析理論對地鐵運(yùn)營安全展開研究[7-15]。白峰青等[7]將可信因子應(yīng)用到風(fēng)險(xiǎn)決策中，結(jié)合實(shí)例對地下工程的可靠性進(jìn)行了評價(jià)。梁肖玲[8]以武漢地鐵2號線越江隧道工程為例，運(yùn)用災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣法，分析了工程周邊地質(zhì)條件對隧道安全運(yùn)行的影響。姚成銘等[9]建立風(fēng)險(xiǎn)等級制度，并利用熵值法確定指標(biāo)的權(quán)重，對地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)做出評價(jià)。HYUN K C等[10]采用故障樹分析法和層次分析法對隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，研究了風(fēng)險(xiǎn)因素的概率和影響。袁勇等[11]將建設(shè)期和運(yùn)營期中風(fēng)險(xiǎn)因素賦予量化指標(biāo)，對地鐵隧道防水可靠性做出評價(jià)。ZHENG X等[12]以長春1號地鐵為例，采用模糊層次分析法和綜合評價(jià)法對地鐵施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。張建國[13]在有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用層次分析法，確定地鐵隧道工程防排水設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重。WANG Guofu等[14]利用國際地理系統(tǒng)和層次分析法對濟(jì)南市地鐵防水施工進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估。傅中杰[15]以南京市緯三路越江隧道工程為例，構(gòu)建質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)耦合作用結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)絡(luò)層次分析法組合評價(jià)模型，對水下盾構(gòu)隧道工程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。

上述研究成果有力地提升了越江地鐵隧道防水可靠性水平，但在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)過程中存在一些弊端，諸如指標(biāo)權(quán)重確定主觀性較強(qiáng)、權(quán)重值缺乏穩(wěn)定性，指標(biāo)因素獨(dú)立性差。基于此，采用層次分析-熵權(quán)組合法評價(jià)越江地鐵隧道運(yùn)營期防水可靠性，使得評價(jià)結(jié)論更加科學(xué)。

1 風(fēng)險(xiǎn)分析理論

1.1 層次分析法(AHP)

20世紀(jì)70年代，美國運(yùn)籌學(xué)家薩蒂基于多目標(biāo)綜合評價(jià)方法和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論，提出了一種定性和定量的層次權(quán)重決策分析方法——層次分析法。它是對問題的總目標(biāo)影響因素逐層分解，直至方案層，其實(shí)施步驟包括如下3個(gè)步驟：構(gòu)建判斷矩陣、判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)、指標(biāo)權(quán)重計(jì)算[16]。該方法所需信息量少、應(yīng)用簡單方便，已經(jīng)在礦業(yè)安全與交通安全評價(jià)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[17]。但由于給出判斷矩陣時(shí)，受主觀因素影響較大，致使得出結(jié)論缺少定量分析，且難以給出新的解決方案。

1.2 熵權(quán)法(EVM)

熵最早出現(xiàn)在熱力學(xué)中，用來描述系統(tǒng)內(nèi)部混亂程度?？茖W(xué)家Shannon將它引入信息論中，利用熵權(quán)解決影響因素的不確定度問題。根據(jù)信息論基本原理，指標(biāo)的信息熵值越小，提供的信息量越少；在綜合評價(jià)中所起的作用也就越小，權(quán)重相應(yīng)越低。因此，可利用信息熵這個(gè)工具計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算步驟包括：指標(biāo)值歸一化、確定指標(biāo)的熵、計(jì)算指標(biāo)權(quán)重[18]。熵權(quán)法由于其嚴(yán)格遵循數(shù)學(xué)規(guī)律，已經(jīng)在項(xiàng)目質(zhì)量能力評估、方案優(yōu)化決策、生產(chǎn)安全評價(jià)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[19-21]。但由于忽視評價(jià)者對指標(biāo)的主觀意圖，又使評價(jià)結(jié)果不能完全體現(xiàn)評價(jià)者的作用。

1.3 層次-熵值組合分析法(HECAM)

層次-熵值組合分析法(HECAM法)是兼顧主客觀性的組合賦值方法，它通過兩種方法的計(jì)算結(jié)果相互修正，達(dá)到平衡指標(biāo)評價(jià)主客觀性的效果。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)初始階段樣本信息數(shù)據(jù)較少，數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系體現(xiàn)不明，應(yīng)強(qiáng)調(diào)評價(jià)者經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的作用，以主觀賦權(quán)為主；隨著樣本數(shù)據(jù)信息的增加，即可利用指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)系來確定指標(biāo)的權(quán)重，以客觀賦權(quán)為主。由于合理的賦權(quán)方法應(yīng)該同時(shí)基于指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在規(guī)律和專家經(jīng)驗(yàn)的決策進(jìn)行賦權(quán)，本文考慮綜合AHP和EVM來確定權(quán)系數(shù)，其計(jì)算步驟如下[22]：利用層次分析法計(jì)算出來的各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)W=(w1，w2，w3，…，wn)，修正熵權(quán)法計(jì)算的各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)V=(v1，v2，v3，…，vn)，得到新的HECAM權(quán)重系數(shù)γ。

(1)

式中，j為指標(biāo)的個(gè)數(shù)，j=1，2，…，n；wj為層次分析法各指標(biāo)下級指標(biāo)權(quán)重值；vj為層次分析法各指標(biāo)下級指標(biāo)權(quán)重值。

2 地鐵隧道防水可靠性評價(jià)模型

2.1 事故案例分析

通過查閱相關(guān)資料，匯總分析部分國內(nèi)外隧道透水事故原因，見表1?？梢钥闯?，近年來，國內(nèi)外隧道透水事故時(shí)有發(fā)生，并伴隨帶來生命和財(cái)產(chǎn)損失。隧道透水事故原因主要集中于工程地質(zhì)條件差、前期勘察不明、違規(guī)操作爆破失誤、施工質(zhì)量差以及外部環(huán)境變化等因素。

表1 部分國內(nèi)外隧道透水事故匯總

2.2 風(fēng)險(xiǎn)因子辨識(shí)

風(fēng)險(xiǎn)因子辨識(shí)是風(fēng)險(xiǎn)評估的首要步驟，是構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型的基礎(chǔ)。結(jié)合國內(nèi)外隧道突水事故原因以及專家意見，將越江隧道防水可靠性的影響因素共45個(gè)影響因素劃分為3個(gè)級別，一級指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因素8個(gè)，二級指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因素17個(gè)，三級指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因素20個(gè)。詳見圖1。

圖1 越江地鐵隧道運(yùn)營期防水可靠性評價(jià)模型

2.3 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

從地鐵工程的建設(shè)期、運(yùn)營期及意外風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)3個(gè)方面，構(gòu)造得出越江地鐵隧道運(yùn)營期防水可靠性評價(jià)模型[23]，如圖1所示。

3 工程算例

3.1 工程背景

武漢地鐵2號線越江隧道工程全長約3 100 m、越江段約1 300 m，直徑5.5 m。隧道處于長江河床、Ⅰ級階地兩個(gè)地貌單元內(nèi)。隧道主要通過中密粉砂層和含礫中粗砂層，部分通過松散-稍密粉砂層、中粗砂層和黏土層透鏡體。土壤自穩(wěn)定性差、透水性強(qiáng)。隧道段下伏基巖主要由志留系泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和白堊系第三系礫巖組成。越江隧道地區(qū)的地表水系統(tǒng)發(fā)達(dá)，主要包括長江水系、漢江水系和沙湖水系；長江水系是該地區(qū)主要的地表水系統(tǒng)。地下水主要由上滯水、第四紀(jì)孔隙水和基巖裂隙水組成，其中孔隙水和孔隙承壓水對跨江隧道工程影響較大[24]。

3.2 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

以越江地鐵隧道運(yùn)營期防水可靠性評價(jià)模型(圖1)為基礎(chǔ)，對武漢地鐵2號線越江隧道進(jìn)行防水可靠性分析。綜合工程管理人員、施工人員、設(shè)計(jì)人員、工程監(jiān)理等10位專家意見，基于層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，其計(jì)算過程如下。

(1)構(gòu)造判別矩陣

以判斷指標(biāo)結(jié)構(gòu)材料防水D234為例，其下級影響因素有耐久性E2341、管片厚度E2342、耐腐蝕性E2343、結(jié)構(gòu)抗?jié)B等級E2344。四個(gè)因素兩兩對比分析，得出判別矩陣D234，計(jì)算得出該矩陣的最大特征值λmax=4.087 4。

(2)一致性判斷

以指標(biāo)結(jié)構(gòu)材料防水D234為例，利用公式(2)和公式(3)計(jì)算得出一致性指標(biāo)CI=0.029 1和一致性比例CR=0.032 7。一致性比例CR<0.1，表明矩陣的一致性可以接受。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

CR=CI/RI

(3)

式中，CI為一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣最大特征值；n為判斷矩陣維度；CR為一致性比例；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值方法詳見文獻(xiàn)[16]。

(3)權(quán)重計(jì)算

依據(jù)層次分析法權(quán)重計(jì)算公式(4)，計(jì)算得出結(jié)構(gòu)材料防水D234的次級影響因素權(quán)重W=(0.275 4，0.085 4，0.176 0，0.463 2)。

(4)

式中，Wi為層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重；aij為評價(jià)指標(biāo)判別矩陣中元素；n為指標(biāo)下級影響因素的個(gè)數(shù)。

3.3 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

以指標(biāo)影響因素D234為例，通過熵權(quán)法確定其下級各指標(biāo)權(quán)重，其計(jì)算過程如下。

(1)歸一化處理

從上述10名專家樣本中，略去個(gè)別極端數(shù)據(jù)，選取5個(gè)優(yōu)良樣本，構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)矩陣。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，利用公式(5)計(jì)算比重pij。

(5)

式中，Pij為指標(biāo)比重；xij為樣本數(shù)據(jù)矩陣中元素；i為樣本數(shù)，0≤i≤m；j為指標(biāo)影響因素?cái)?shù)。

(2)計(jì)算指標(biāo)的熵

利用公式(6)，計(jì)算指標(biāo)影響因素D234的熵值。

(6)

式中，ej為指標(biāo)的熵，0≤eij≤1；k為熵值修正系數(shù)，k>0，k取k=1/lnm；j為指標(biāo)個(gè)數(shù)，j=1，2，…，n。

(3)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

利用公式(7)，計(jì)算指標(biāo)D234權(quán)重。

(7)

式中，Vj為熵值法計(jì)算權(quán)重；gj為指標(biāo)偏差度，gi=1-ej；j為指標(biāo)個(gè)數(shù)，j=1，2，…，n。

3.4 層次-熵值法確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)公式(1)，結(jié)合層次分析法與熵權(quán)法，得到指標(biāo)影響因素D234層次-熵權(quán)組合分析法權(quán)重值。3種方法計(jì)算得出的指標(biāo)權(quán)重，見表2。層次分析法與熵權(quán)法所確定的權(quán)重有較大的差別，兩種方法組合修正權(quán)重后，層次分析法的主觀性和熵權(quán)法的客觀性發(fā)揮了作用，突出了組合權(quán)重方法的全面性和科學(xué)性。同時(shí)，指標(biāo)權(quán)重值越大，表明該因素的重要性越高，應(yīng)該成為分析控制的重點(diǎn)。一級指標(biāo)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)分析C11層次-熵值組合法權(quán)重占比最高，表明在運(yùn)營期B1下級的3個(gè)影響因素中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)分析C11重要性最高，是運(yùn)營期B1中主要控制指標(biāo)。同理，指標(biāo)影響因素管片拼接質(zhì)量、地基承載力和結(jié)構(gòu)抗?jié)B等級屬于E層中控制指標(biāo)，是隧道防水可靠性的主要控制節(jié)點(diǎn)。

表2 各指標(biāo)計(jì)算權(quán)重

3.5 隧道防水可靠性安全評價(jià)

將越江地鐵隧道運(yùn)營期防水可靠性安全評價(jià)等級分為Ⅰ(安全性較高)、Ⅱ(安全性良好)、Ⅲ(安全性一般)、Ⅳ(安全性較差)四個(gè)評價(jià)級別。結(jié)合專家意見構(gòu)建綜合評價(jià)矩陣與權(quán)重矩陣，得出指標(biāo)的評價(jià)結(jié)論。指標(biāo)因素D234安全評價(jià)結(jié)果見式(8)。同理，可以得到一級、二級指標(biāo)安全評價(jià)結(jié)果；最終得到目標(biāo)層武漢地鐵2號線越江隧道運(yùn)營期防水可靠性安全評價(jià)結(jié)果，見式(9)與式(10)。

(0.679 5，0.320 5，0，0)

(8)

[0.190 9，0.698 9，0.110 2]×

(0.692 1，0.189 1，0.118 8，0)

(9)

H=[1 2 3 4]×

(0.692 1，0.189 1，0.118 8，0)T=1.426 7

(10)

綜上所述，該越江隧道運(yùn)營期防水可靠性安全穩(wěn)定性等級為Ⅰ級。該越江隧道整體的安全性較高，但由于該隧道周邊地層環(huán)境復(fù)雜、土層較軟、上部有河流流過等固有危險(xiǎn)性較高因素，所以施工中要特別注意采取有效防范措施控制固有危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)層次-熵值組合法既考慮到工程參與者的主觀性，又遵循數(shù)據(jù)的客觀性，所得權(quán)重更加科學(xué)性，使評價(jià)結(jié)果更具全面性和準(zhǔn)確性。

(2)構(gòu)建了越江地鐵隧道運(yùn)營期防水可靠性評價(jià)模型，并將其應(yīng)用于武漢地鐵2號線越江地鐵隧道防水性能評價(jià)中，適用良好。

(3)目前的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，通過多名專家綜合評分的方式確定底層指標(biāo)值，難免帶來一定的主觀性，建議通過多種方法(例如計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算)結(jié)合的手段彌補(bǔ)主觀缺陷，這將是下一步的研究重點(diǎn)。